《Journal of Genetic Engineering and Biotechnology》：Assessment of key transcription factors and drought-responsive genes in wheat cultivars under drought stress
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本研究针对干旱胁迫对小麦生产的严重影响，通过分析六个埃及小麦品种在聚乙二醇诱导的渗透胁迫下的生理生化响应及关键基因表达模式，系统评估了其抗旱性差异。研究发现，不同品种通过调控TaMYB73、TaNAC2等转录因子及抗氧化酶活性来应对干旱胁迫，其中Misr2和Misr3表现出较强的耐受性。该研究为小麦抗旱育种提供了重要分子靶点和理论依据。
小麦作为全球最重要的粮食作物之一，其生产稳定性直接关系到全球粮食安全。然而，随着气候变化加剧，干旱已成为限制小麦产量和品质的主要非生物胁迫因素。在埃及等水资源紧张的地区，这一问题尤为突出。干旱胁迫会破坏植物的新陈代谢和生理功能，导致生长受阻和产量下降，减产幅度可达30%至90%，具体取决于作物种类和生长阶段。面对这一挑战，培育抗旱小麦品种成为保障粮食安全的重要策略。
为了深入理解小麦应对干旱胁迫的分子机制，Mohamed A. Sakr、Eman A. El-Khateeb、Hanan I. Sayed-Ahmed和Reda M. Gaafar等研究人员在《Journal of Genetic Engineering and Biotechnology》上发表了一项重要研究。该研究以六个埃及主栽小麦品种（Misr1、Misr2、Misr3、Gemmiza9、Sids14和Sakha95）为材料，采用25%聚乙二醇（PEG-6000）模拟干旱胁迫，系统分析了它们在3天和6天胁迫处理下的生理生化响应及基因表达模式。
研究人员通过水培系统培养14天龄的小麦幼苗，然后施加25% PEG-6000进行干旱胁迫处理。研究中运用了多项关键技术方法：通过测量株高、根深、鲜重和干重等生长参数评估胁迫对植物生长的影响；通过测定相对含水量和根冠比分析水分状况和生物量分配；通过叶绿素荧光动力学（Fv/Fm）评估光合性能；通过分光光度法测定叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量；通过生化方法检测过氧化氢（H2O2）、丙二醛（MDA）和脯氨酸含量；通过酶活性测定分析过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）的活性变化；并通过qRT-PCR技术分析了9个干旱响应基因（包括转录因子基因和抗氧化基因）的表达模式。
4.1. PEG诱导的渗透胁迫对小麦幼苗生长参数的影响
研究发现干旱胁迫显著降低了所有供试小麦品种的株高、地上部鲜重和干重。胁迫3天后，株高减少幅度在11%至25%之间，且随着胁迫时间延长至6天，这种抑制效应更加明显。与之相反，所有品种的根深和根干重均显著增加，表明在干旱条件下光合产物向根系分配增多。其中，Misr2在胁迫6天后的根冠比增加最为显著（+87.6%），表明其具有最强的生物量再分配能力。根据生长参数的综合分析，研究人员将Misr2和Misr3归类为耐旱品种，Misr1、Sakha95和Gemmiza9为中等耐旱品种，Sids14为敏感品种。
4.2. PEG诱导的渗透胁迫对相对含水量和根冠比的影响
干旱胁迫显著降低了小麦幼苗地上部和根系的相对含水量。在胁迫3天和6天后，Sids14的地上部相对含水量最低（分别为78.1%和75.9%），而Misr1保持最高（分别为84.6%和82.9%）。根系相对含水量变化趋势类似，Gemmiza9最低而Misr1最高。这些结果表明Misr1在维持组织水分状态方面表现最佳。根冠比分析显示，所有品种在干旱胁迫下均有所增加，其中Misr2在胁迫6天后增加幅度最大（+87.6%），进一步证实了其在干旱条件下增强根系投资的策略。
4.3. PEG诱导的渗透胁迫对光合活性、叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量的影响
干旱胁迫导致所有小麦品种的光合效率（Fv/Fm）下降，叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量也显著降低。胁迫3天后，Sids14的Fv/Fm值最低（0.48），而Misr1最高（0.691）。至胁迫6天，Misr1的Fv/Fm降至最低（0.307），而Sakha95则升至最高（0.726），表明不同品种的光合机构对持续胁迫的响应存在差异。色素含量分析显示，Sids14的叶绿素a含量在胁迫3天后最低（1.91 mg/g干重），而Sakha95最高（3.76 mg/g干重）。至胁迫6天，Misr3的叶绿素a含量降至最低（0.55 mg/g干重），Misr1则保持最高（2.77 mg/g干重）。
5. PEG诱导的渗透胁迫对抗氧化酶差异响应的影响
研究表明，干旱胁迫显著激活了小麦幼苗的抗氧化防御系统。过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）的活性在胁迫处理后均显著升高。胁迫3天后，Misr3的CAT活性最高（0.0032 μM/g鲜重/min），而胁迫6天后，Misr2和Misr1的CAT活性最高（分别为0.00787和0.0076 μM/g鲜重/min）。SOD活性变化显示，Sakha95在胁迫3天后活性最高（0.566 μM/g鲜重/min），而Gemmiza9在胁迫6天后活性最高（1.318 μM/g鲜重/min）。这些结果表明不同品种的抗氧化酶激活时序和强度存在差异，可能与它们的耐旱机制有关。
5.1. PEG诱导的渗透胁迫对MDA、H2O2和脯氨酸含量的影响
丙二醛（MDA）作为膜脂过氧化的指标，在干旱胁迫下显著增加。胁迫3天后，Misr3和Sids14的MDA含量最高（分别为1076.5和1055.6 nmol/g鲜重），而Misr1最低（597.5 nmol/g鲜重），表明Misr1遭受的膜损伤较轻。过氧化氢（H2O2）含量在胁迫条件下普遍降低，可能与激活的抗氧化酶系统及时清除了活性氧有关。脯氨酸作为重要的渗透调节物质，在胁迫6天后在所有品种中均显著积累，其中Misr2的积累量最高（46.3 mg/g干重），表明脯氨酸在耐旱品种的渗透调节中发挥重要作用。
5.2. 转录因子和渗透胁迫响应基因的基因表达分析
qRT-PCR分析揭示了9个干旱响应基因的表达式谱。转录因子基因TaMYB73、TaNAC2、TaOBF-1B、TaWRKY13和WDERB-2B在干旱胁迫下均表现出不同程度的上调。胁迫6天后，TaMYB73在Misr3中表达量最高（上调6.32倍），TaNAC2在Misr2中表达最高（上调5.98倍），WDERB-2B在Sakha95中诱导最为显著（上调13.45倍）。抗氧化基因TaAPX、TaCAT和W106也普遍上调，其中W106在Sakha95中胁迫6天后上调8.88倍。脱水素基因TaDHN2.1在Gemmiza9中胁迫6天后上调最为明显（7.78倍）。这些基因的差异化表达模式反映了不同小麦品种应对干旱胁迫的分子策略多样性。
5.3. 表达基因的热图分析
热图分析直观展示了基因表达的整体模式。大多数基因在PEG处理6天后诱导程度更高。其中，WDERB-2B是上调最显著的基因，特别是在Sakha95中（13.45倍）。TaDHN2.1在Gemmiza9中胁迫6天后诱导程度高（7.78倍），W106在Sakha95中表达最高（8.88倍）。这些结果表明这些基因在小麦抗旱性中可能发挥关键作用。
研究结论表明，不同埃及小麦品种对干旱胁迫的响应存在显著基因型差异。Misr2和Misr3被归类为耐旱品种，其耐旱性与较强的抗氧化防御系统、有效的渗透调节能力以及特定转录因子和胁迫响应基因的快速激活密切相关。敏感品种Sids14则表现出较弱的胁迫响应能力。这些发现不仅深化了对小麦干旱适应机制的理解，而且为小麦抗旱育种提供了有价值的分子靶点和种质资源。通过标记辅助选择或基因工程手段调控这些关键基因，有望培育出更具抗旱性的小麦新品种，对于应对全球气候变化下的粮食安全挑战具有重要意义。
